Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Инженерная оптимизация прессового и литьевого оборудования: Учебное пособие

Голосов: 0

Рассмотрены современное состояние и перспективы развития расчёта и оптимизации конструктивных параметров прессового и литьевого оборудования для переработки полимерных материалов в изделия и детали. Особое внимание уделено постановке и решению задач минимизации массы основных тяжелонагруженных деталей применяемого оборудования. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 150400 "Технологические машины и оборудование", 151900 "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств", 261700 "Технология полиграфического и упаковочного производства", 150700 "Машиностроение" при выполнении курсовых проектов и магистерских диссертаций по разработке конструкций минимальной массы прессового и литьевого оборудования.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       Министерство образования и науки Российской Федерации
        Государственное образовательное учреждение
          высшего профессионального образования
   "Тамбовский государственный технический университет"




   А.С. КЛИНКОВ, М.В. СОКОЛОВ, В.И. КОЧЕТОВ,
         В.Г. ОДНОЛЬКО, И.В. СКОПИНЦЕВ


   ИНЖЕНЕРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ
    ПРЕССОВОГО И ЛИТЬЕВОГО
        ОБОРУДОВАНИЯ

      Утверждено Учёным советом университета в качестве
 учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям
подготовки бакалавров и магистров 150400, 151900, 261700, 150700




                           Тамбов
                 Издательство ГОУ ВПО ТГТУ
                             2011

                                                                   1


УДК 678.078.2.002.5(075)
ББК Л710.2-5я73
    И622

                            Р еце нз е нт ы:
        Доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО ТГТУ
                           Н.П. Жуков
                    Кандидат технических наук,
             заместитель директора ОАО "НИИРТМаш",
                           В.Н. Шашков




И622       Инженерная оптимизация прессового и литьевого оборудова-
       ния : учебное пособие / А.С. Клинков, М.В. Соколов, В.И. Коче-
       тов, В.Г. Однолько, И.В. Скопинцев. – Тамбов : Изд-во ГОУ
       ВПО ТГТУ, 2011. – 80 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0982-1.

            Рассмотрены современное состояние и перспективы развития рас-
       чёта и оптимизации конструктивных параметров прессового и литье-
       вого оборудования для переработки полимерных материалов в изделия
       и детали. Особое внимание уделено постановке и решению задач ми-
       нимизации массы основных тяжелонагруженных деталей применяемо-
       го оборудования.
            Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям
       подготовки 150400 "Технологические машины и оборудование",
       151900 "Конструкторско-технологическое обеспечение машинострои-
       тельных производств", 261700 "Технология полиграфического и упа-
       ковочного производства", 150700 "Машиностроение" при выполнении
       курсовых проектов и магистерских диссертаций по разработке конст-
       рукций минимальной массы прессового и литьевого оборудования.
                                               УДК 6678.078.2.002.5(075)
                                               ББК Л710.2-5я73


ISBN 978-5-8265-0982-1     © Государственное образовательное учреждение
                             высшего профессионального образования
                             "Тамбовский государственный технический
                             университет" (ГОУ ВПО ТГТУ), 2011
2


                          ВВЕДЕНИЕ

     В условиях рыночной экономики предприятие по переработке по-
лимерных материалов сможет оставаться конкурентоспособным лишь в
том случае, если будет использовать современную технологию произ-
водства, прогрессивное оборудование минимальной металлоёмкости и
затрачивать на производство минимальное количество энергоресурсов.
     Перевооружение производства предусматривает привлечение су-
щественных инвестиций. Более целесообразным, по нашему мнению, в
сложившихся экономических условиях будет модернизация сущест-
вующего оборудования путём замены его основных рабочих узлов и
деталей на новые, спроектированные на основе современных методов
расчёта, учитывающих минимизацию их массы и качество конечного
продукта.
     Базовым оборудованием для получения различных штучных из-
делий, определяющих технологическую мощность предприятия и ка-
чество полученных изделий, являются прессовое и литьевое оборудо-
вание: гидравлические прессы колонного, рамного и челюстного ти-
пов; литьевые машины горизонтального и вертикального типов. Ос-
новными элементами этих машин являются: станины прессов различ-
ных типов конструкций; обогреваемый (охлаждаемый) материальный
цилиндр; червяк, вращающийся относительно своей оси и движущийся
поступательно вдоль неё, создавая высокое давление литья (впрыска).
     Станины, материальные цилиндры и другие несущие узлы прес-
сового и литьевого оборудования должны обладать достаточными
прочностными характеристиками и выдерживать расчётные силовые
нагрузки.
     В учебном пособии представлены новые методы расчёта, приве-
дены алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие произво-
дить автоматизированный расчёт и проектирование конструкций прес-
сового и литьевого оборудования. С их помощью можно рассчитать
конструктивные параметры основных тяжелонагруженных деталей
при условии минимальной их массы и ограничениях на прочность ма-
териала (жёсткость, устойчивость конструкции).
     Разработанные авторами методики основываются на базовых тео-
риях прочности и более точных расчётных моделях, построенных для
процесса оптимизации конструкций основных тяжелонагруженных
элементов прессового и литьевого оборудования.
                                                                 3


     1. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ
         И ДЕТАЛЕЙ ЛИТЬЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ


    1.1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
      ОСНОВНЫХ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ
     Червяки пластикационных устройств. В процессе работы пла-
стикационного устройства червяк испытывает большие нагрузки. Он
передаёт значительные крутящие моменты, подвергается истиранию
из-за трения о стенку цилиндра и перерабатываемый материал, может
испытывать воздействие агрессивных сред (при переработке жёсткого
поливинилхлорида и его сополимеров выделяется соляная кислота).
Для переработки подобных материалов червяк должен обладать высо-
кой коррозионной устойчивостью.
     Большинство перерабатываемых материалов в процессе пласти-
кации не выделяют особенно активных агрессивных сред. Для перера-
ботки таких материалов червяки целесообразно изготавливать из
азотированных сталей, так как ввиду большой длины и сложного про-
филя нарезки червяков наилучшим видом их термообработки, исклю-
чающим коробление, является азотирование. Азотируемый слой обла-
дает высокой твёрдостью, сохраняя свои свойства при температурах
773К-823К, и большой устойчивостью против истирания. Азотирова-
ние повышает химическую устойчивость против коррозии во многих
агрессивных средах. В настоящее время для упрочнения червяков ис-
пользуют процесс ионитрирования.
     Гальванически хромированные червяки недолговечны, так как
наличие температурных напряжений и напряжений, возникающих от
деформации кручения в процессе работы червяка, приводит к растрес-
киванию, а затем и шелушению слоя хрома.
     Хорошие результаты работы показали червяки из азотируемой ста-
ли марок 38ХМЮА, 40ХН2МА. Достигаемая при азотировании или ио-
нитрировании твёрдость поверхности червяка составляет НRА 70-74.
После азотирования рабочую поверхность червяка и шлифуют, а затем
полируют.
     Для переработки материалов, у которых температура пластикации
близка к температуре разложения, червяки следует изготавливать из
высоколегированных коррозионно-устойчивых сталей марок 9Х18,
1Х17Н2, 14Х17Н2.
4


     Для увеличения долговечности червяков некоторые зарубежные
фирмы производят наплавку витков по наружному диаметру твёрдыми
сплавами (стеллитом, сормайтом) и проводят насыщение поверхности
червяков ионами азота методом ионитрирования. Поверхность червя-
ков обрабатывают по 9, 10 классу точности.
     Цилиндры пластикационных устройств. Пластикационные и
инжекционные цилиндры литьевых машин выполняются из круглого
проката или цилиндрических поковок. Пластикационные цилиндры
в большинстве случаев изготовляют цельными и реже составными,
с запрессованными в них гильзами. Цилиндры и гильзы обычно вы-
полняют из азотированной стали марок 38ХМЮА, 40ХН2МА. Твёр-
дость поверхности отверстия цилиндра или гильзы должна быть
меньше твёрдости червяка на 8…10 единиц, что предотвращает их
взаимный задир и попадание стружки в расплав полимера, а также за-
клинивание червяка в цилиндре машины. Инжекционные цилиндры
эксплуатируют при высоких рабочих давлениях (до 200 МПа) и высо-
ких рабочих температурах (до 673 К). Поверхность отверстия цилинд-
ра в рабочей зоне обрабатывается до 9 класса, а зоны загрузки – до
7 класса точности.
     Плиты механизмов замыкания литьевых машин с усилием до
800 кН изготовляют из листового проката стали 45 (ГОСТ 1050–88).
Рабочие поверхности обрабатывают по 6, 7 классу шероховатости по-
верхности. Плиты четырёхколонных машин обычно изготовляют из
сталей 35Л, 40Л и 45Л (ГОСТ 977–88) и значительно реже применяют
сварные конструкции из листового проката стали 35. Для вертикаль-
ных литьевых машин основание обычно выполняют из чугуна СЧ 21.
Конструкция выбирается в зависимости от условий изготовления ко-
робчатого или таврового сечения с расчётным допускаемым напряже-
нием изгиба [σ] = 30…40 МПа.
     Подвижные плиты (перекладины) прессового оборудования изго-
товляют литыми из стали или чугуна или сварными из стального листа.
     Направляющие колонны литьевых машин обычно изготовляют
из сталей 35, 40, 45 (ГОСТ 1050–88) и 40Х (ГОСТ 4543–71), которые
мало чувствительны к концентрации напряжений и хорошо переносят
пульсирующие нагрузки. Рабочую поверхность колонн, по которым
перемещается подвижная плита, тщательно шлифуют до 8 или 9 клас-
са шероховатости по ГОСТ 2789–73. Остальные поверхности колонн
обрабатываются по 6 классу шероховатости. Для повышения износо-
устойчивости рабочие поверхности колонны подвергаются поверхно-
стной закалке токами высокой частоты, хромированию или азотирова-
                                                                 5


нию (последний метод применяют для колонн из стали марки
38ХМЮА). Колонны гидравлических прессов обычно изготовляют из
Ст5 или низколегированных сталей.
     Гайки колонн изготовляются из углеродистой стали марок 35, 40,
45 (ГОСТ 1050–88) и 40Х (ГОСТ 4543–71).
     Материалом для изготовления опорных полуколец служит сталь
марки 45 или 40Х. Боковые поверхности полуколец обрабатываются
по 7 классу шероховатости.
     Гидроцилиндры. На современных литьевых машинах устанавлива-
ют: стальные кованые цилиндры, когда давление превышает 18…20 МПа
при скорости перемещения поршня более 0,2 м/с; чугунные литые ци-
линдры или цилиндры из труб, когда давление менее 15 МПа и скоро-
сти перемещения поршня не более 0,2 м/с; стальные литые цилиндры
при больших диаметрах поршня и давлениях до 32 МПа. Стальные ли-
тые цилиндры получили наибольшее распространение для привода про-
стых и двухступенчатых гидравлических механизмов, а также переме-
щения инжекционного червяка (или поршня). На литьевых машинах
большой мощности применяют преимущественно плунжеры, которые
при диаметрах более 200 мм выполняют пустотелыми. Плунжеры изго-
товляют из чугуна СЧ 21 и сталей 35Л, 35 и 45.
     Гидроцилиндры прессов выполняют чаще всего из стали 35. Ко-
ваные цилиндры изготовляют из углеродистых или низколегирован-
ных сталей. Для рабочих давлений до 20 МПа используют литые ци-
линдры. При рабочих давлениях не более 32 МПа применяются литые
стальные цилиндры из стали 35Л.
     Плунжеры гидроцилиндров малого диаметра (до 200…250 мм)
выполняются сплошными из углеродистой стали. Рабочая поверхность
таких плунжеров имеет твёрдость 35…40 единиц HRC. При примене-
нии хромомолибденовых сталей поверхностная твёрдость достигает
65…85 единиц HRC.
     Для облегчения, плунжеры больших диаметров часто выполняют
полыми, причём их обычно изготовляют литыми из стали. Плунжеры,
изготовленные из отбеленного чугуна, обладают поверхностной твёр-
достью 55…75 единиц HRC. В связи с высокой хрупкостью применять
такие плунжеры на прессах с верхним рабочим цилиндром не следует,
так как в случае поломки плунжера может произойти падение плиты,
что может привести к несчастным случаям.
     Станины прессов изготовляют сварными из стального листа или
проката, а также литыми из стали или модифицированного чугуна.
Применяемые материалы: чугунное литье СЧ 24; стальное литье 35Л,
45Л; листовой прокат (для сварных конструкций) из стали марки Ст3.
6


      1.2. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ ЧЕРВЯКОВ
  ИНЖЕКЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ ЛИТЬЕВЫХ МАШИН

     Червяк в машине для литья под давлением выполняет следующие
функции: осуществляет набор заданного для впрыска объёма материа-
ла, совершая вращательное движение и перемещаясь при этом назад;
впрыскивает в оформляющую полость подготовленную порцию мате-
риала при заданном давлении впрыска, выполняя роль поршня и со-
вершая поступательное движение вперед.
     При проверке прочности червяков нужно учитывать следующие
внешние силовые факторы: осевое усилие, возникающее от давления
расплава на торцевую поверхность конца червяка, и крутящий момент,
подводимый к хвостовику. Наиболее нагруженным является попереч-
ное сечение сердечника червяка под загрузочным окном, так как кру-
тящий момент здесь имеет максимальное значение, а площадь этого
сечения минимальна.
     В современных машинах для литья под давлением в процессе на-
бора дозы материала рабочие давления, возникающие в цилиндре, не-
велики (не превышают давления запирания сопла инжекционного ци-
линдра), а при впрыске рабочее давление может достигать значений
200 МПа и выше.
     Поскольку в процессе набора дозы материала рабочее давление,
действующее на червяк, невелико, то проверять червяк на продольную
устойчивость от осевого усилия и на прогиб под действием собствен-
ного веса во избежание касания стенок цилиндра не обязательно по
следующим причинам. Поскольку винтовой канал нарезки червяка
заполнен материалом, то затекающий в зазор между гребнем нарезки и
цилиндром расплав образует смазочный слой, надёжно предотвра-
щающий касание червяка и цилиндра; червяк оказывается как бы пла-
вающим на этой жидкостной подушке расплава материала. Она же
оказывает и поддерживающее воздействие на червяк, предотвращаю-
щее потерю им продольной устойчивости, которая произошла бы, если
бы червяк был нагружен аналогичным образом и находился бы вне
цилиндра с материалом [1 – 3]. Однако, опыт эксплуатации литьевых
машин показывает, что червяки интенсивно изнашиваются в зоне до-
зирования. Это говорит о том, что передний конец червяка в процессе
работы всё же скользит по внутренней поверхности цилиндра, что мо-
жет происходить на стадии впрыска материала в оформляющую по-
лость пресс-формы под высоким давлением. Поэтому, кроме расчётов
                                                                 7


на прочность и жёсткость, сердечник червяка должен проверяться на
устойчивость от осевого усилия, возникающего при впрыске.
    При расчёте червяков на прочность в машинах для литья под дав-
лением необходимо учитывать следующие действующие усилия:
    1. Осевое усилие, развиваемое гидроцилиндром впрыска, P1, (Н)

                                    πDn2
                             P =
                              1          pг ,
                                     4
где pг – рабочее давление жидкости в гидроцилиндре впрыска, МПа;
Dп – диаметр поршня гидроцилиндра, м.
     2. Осевое усилие, развиваемое при вращении червяка, P2, (Н)
                                  9550 N
                             P2 =          ,
                                  nRср tgϕ

где N – мощность привода червяка в кВт; n – частота вращения червя-
                                                           t
ка, об/мин; ϕ – угол подъёма винтовой линии, град, tgϕ =      , где
                                                          πDч
t – шаг нарезки червяка, м; Dч – наружный диаметр червяка, м; Rср –
средний радиус червяка, м
                                    Dч + d B
                            Rср =            ,
                                       2
где d B – диаметр сердечника червяка в зоне загрузки, м.
     Суммарное осевое усилие, действующее на червяк, в машинах
для литья под давлением, P (в кН)
                             P = P1 + P2 .
     3. Собственный вес червяка.
     4. Результирующее усилие, вызывающее поперечный изгиб чер-
вяка из-за неоднородной вязкости расплава в различных радиальных
сечениях, перпендикулярных к оси червяка.
     5. Окружное усилие на червяке при его вращении. Под действием
указанных усилий червяк находится в процессе работы в сложном на-
пряжённом состоянии, испытывая деформацию сжатия, кручения и
изгиба.
     Схема расчёта червяка и его опор представлена на рис. 1.1. Мето-
дика расчёта червяка на прочность и продольный изгиб изложена в [5],
программа расчёта на ЭВМ представлена в прил. (Программа 1).
8


     Dп
                            Rв




                                                                      ymax
              А         В
P2

            R4                                G + P′
                                                                     P


                                        l/2
                   a                                        l

             Рис. 1.1. Расчётная схема нагружения червяка

       1.3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МИНИМИЗАЦИИ МАССЫ
      КОНСТРУКЦИИ ШНЕКА С ОСЕВЫМ ОТВЕРСТИЕМ
                 И РАЗРЫВНЫМИ ВИТКАМИ
      Вопросы прочности подобного типа конструкции изложены ранее
[5], поэтому ограничимся записью расчётных формул для определения
максимального эквивалентного напряжения и максимального прогиба
шнека (рис. 1.2):
                                                   2       2
                             M max N п N п W       M кр 
          max σ экв =                             +
                             W + F + W             W  ≤ [σ ] ,
                                                                    (1.1)
                             0             0       0 
                                        Wmax
                             max W =         ≤ [W ] ,                (1.2)
                                          N
                                       1− п
                                          Nэ
где R1, R2, R0 – радиусы витков, сердечника, осевого отверстия шнека,
                                                πR 3   R  
                                                             4
соответственно; e – ширина витка шнека; W0 = 2 1 −  0   – осе-
                                                 2   R2  
                                                        
вой момент сопротивления шнека изгибу; F = π( R2 − R0 ) – площадь
                                                2    2

поперечного сечения вала шнека; [W] – допускаемый прогиб вала шне-
ка, который не должен превышать величины радиального зазора меж-
ду гребнем винтовой нарезки и внутренней поверхностью материаль-
ного цилиндра.
                                                                         9


         А–А                    Основная цель данного проектирования
R2                   R0    состоит в том, чтобы на основании расчётных
                           формул (1.1) и (1.2) найти такие оптимальные
                           геометрические параметры шнека, которые на-
                           ряду с прочностными характеристиками и эф-
                           фективным отводом тепла обеспечивали бы
R1                         минимальную массу конструкции (1.3).

Рис. 1.2. Поперечное       M ( x ) = πρ l0 (R1 − x1 )2 + (R1 − x1 )2 l +
                                        
                                        
  сечение шнека с                                                                        (1.3)
осевым отверстием:                +(2 (R1 − x1 2) cosβ) x1 x2 n −     2
                                                                     x3 (l0   + l ) .
 (R1 – R2) ≡ x1; e ≡ x2;                                                           
                                                                                   
        R0 ≡ x3
                         В связи с этим ставится задача: найти век-
тор параметров управления x = (х1, х2, х3), который минимизирует це-
левую функцию, характеризующую расход материала (массы). При
этом должны выполняться ограничения по прочности:
                                      maxσэ ≤ [σ];                                       (1.4)
                                       maxW ≤ [W];                                       (1.5)
и геометрические ограничения по параметрам управления
                               ai ≤ xi ≤ bi , (i = 1, 2, 3, 4).                          (1.6)
      Здесь maxσэ , maxW – максимальное эквивалентное напряжение и
прогиб шнека, определяемые по формулам (1.1) и (1.2); [σ], [W] –
допускаемое напряжение для материала шнека и допускаемый прогиб
для конструкции системы шнек-цилиндр; M( x ) – масса шнека;
xi – геометрические размеры составного цилиндра, которые принима-
ются равными: ai, bi – наименьшее и наибольшее значения параметров
управления; ρ – плотность материала цилиндров.
      При проектировании конструкции минимальной массы М(х) ис-
пользован метод скользящего допуска (МСД) [24].
      Для шнека со следующими исходными данными: R1 = 0,032 м;
р = 5 МПа; l0 = 0,016 м; l = 0,704 м; n = 10 витков (разрыв после второго
витка); [σ] = 325 МПа; [W] = 0,01R1 мм; (0,001 ≤ х1 ≤ 0,006) м; (0,001 ≤ х2 ≤
≤ 0,004) м; (0,001 ≤ х3 ≤ 0,007) м; материал шнека сталь; Е = 2 ⋅ 105 МПа;
ё = 0,3; ρ = 7,85 ⋅ 103 кг/м3 с помощью программы "minMSCRE" (прил.,
Программа 2), реализующей алгоритм МСД (блок-схема приведена на
рис. 1.3), получены следующие значения оптимальных параметров конст-
            ∗                 ∗             ∗
рукции: x1 = 0, 0024 м; x2 = 0,0011 м; x3 = 0,0058 мм. При этом мини-
                                ∗
мальная масса шнека составила M min = 12,5 кг.
10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика